De helft van alle transistors in je iPhone gebruiken positief geladen 'gaten', in plaats van negatief geladen elektronen te laten werken.

Op de universiteit, we leren studenten dat gaten quasideeltjes zijn, eigenlijk 'ontbrekende elektronen' - een beetje zoals de bel in een waterpas, of de ontbrekende stoel in een spelletje stoelendans.

Maar dat is niet het hele verhaal:gaten hebben ook heel andere 'spin'-eigenschappen dan elektronen. (De spin van een deeltje is het intrinsieke impulsmoment.)

Deze unieke spin-eigenschappen van gaten maken ze zeer aantrekkelijk voor spintransistors met ultralaag vermogen, hoge snelheid kwantumbits, en fouttolerante topologische kwantumbits.

Het probleem is dat we tot voor kort geen goed begrip hadden van de spin-eigenschappen van gaten in transistors op nanoschaal. In feite, de beste theorieën voorspelden het tegenovergestelde gedrag van dat waargenomen in experimenten.

Nutsvoorzieningen, een team van natuurkundigen onder leiding van Alex Hamilton en Oleg Sushkov van de UNSW hebben het mysterie opgelost door een nieuwe term in de vergelijkingen te identificeren die eerder over het hoofd werd gezien.

Dit verzoent experimenten en theorie, en maakt de weg vrij voor toekomstige kwantumelektronische en kwantumcomputerapparatuur.

De sleutel tot het probleem is dat een gat zich heel anders gedraagt ​​wanneer het beperkt is tot slechts twee dimensies, vergeleken met zijn gedrag in een normale, driedimensionale vaste stof.

Een transistor wordt vervaardigd met twee halfgeleidermaterialen met enigszins verschillende elektronische eigenschappen, tegen elkaar gedrukt. Op het grensvlak van die twee materialen, een effectief tweedimensionale zone bestaat, waarin een dunne laag elektronen of gaten kan worden bestuurd om de nodige logische functies uit te voeren.

Maar hoewel het gedrag van gaten in drie dimensies al tientallen jaren goed wordt begrepen, hun beperking tot twee dimensies introduceert nieuwe factoren die anders onvoorspelbare reacties op een aangelegd magnetisch veld veroorzaken. Namelijk, deze opsluiting introduceert een nieuwe 'spin-orbit interactie'.

Spin-baan interactie (SOI), is de koppeling van de beweging van het gat door de ruimte (bijvoorbeeld in een baan rond een atoom of langs een stroomvoerend pad) en zijn spin. Deze spin-baan interactie verandert hoe gaten reageren op een magnetisch veld en is de sleutel tot de functie van topologische materialen. die bij FLEET worden bestudeerd vanwege hun potentieel om paden met ultralage weerstand voor elektrische stroom te vormen.

De nieuwe studie is de eerste keer dat deze nieuwe spin-baaneffecten voor gaten die beperkt zijn tot één dimensie correct zijn geclassificeerd.

In 2006, UNSW-experimenten vonden een resultaat dat niet overeenkwam met de bestaande theorie:

Onderzoekers keken naar de effecten van een extern magnetisch veld toegepast op een eendimensionale, ladingdragend pad dat bekend staat als een kwantumdraad.

Het aangelegde magnetische veld scheidt, of splitst, de energieniveaus van gaten met verschillende spins. Experimenten toonden aan dat de spin-splitsing extreem gevoelig was voor de richting van het magnetische veld, in tegenstelling tot elektronen die ongevoelig zijn voor de veldrichting.

Verder, de spin-splitsing bleek het grootst te zijn wanneer het magnetische veld langs de kwantumdraad werd aangelegd - een resultaat dat volledig in strijd was met bestaande theorieën. Deze onenigheid tussen experiment en theorie bleef het afgelopen decennium onverklaard.

De meest recente studie identificeerde een nieuwe spin-baan interactiefactor veroorzaakt door de opsluiting van de gaten tot één dimensie, en ontdekte dat deze nieuwe factor het experimentele resultaat van 2006 verklaarde.

De nieuwe studie is zojuist verschenen in Fysieke beoordelingsbrieven , het vlaggenschip tijdschrift van de American Physical Society.

Het onderzoek sloot zich aan bij theoretische en experimentele natuurkundigen van UNSW met collega's in Cambridge en Sheffield in het VK, en Novosibirsk in Rusland.

Het werk werd gefinancierd door het Australian Research Council Discovery Program, en inclusief Alex Hamilton van FLEET, Oleg Sushkov en Dima Miserev.

VLOOT is een nieuwe, ARC-gefinancierd onderzoekscentrum dat gericht is op het aanpakken van die groeiende computerenergie-uitdaging met behulp van materialen die slechts één atoom dik zijn. FLEET (het ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies) gebruikt atomair dunne, tweedimensionale (2-D) materialen als basis van een nieuwe generatie ultra-lage energie-elektronica. FLEET verbindt onderzoekers van de UNSW School of Physics en de UNSW School of Materials Science and Engineering met collega's van zes andere universiteiten en 13 andere Australische en internationale science centra.

Alex Hamilton leidt FLEETs onderzoeksthema 1, zoeken naar topologische dissipatieloze systemen voor de toekomst, ultra-lage energie elektronica.

De oorspronkelijke studie in 2006, ook geleid door Prof Hamilton en ook gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , ontdekte dat de richting van een aangelegd magnetisch veld de splitsing van de geleidbaarheid in een stroom van gaten bepaalde. Hetzelfde effect treedt niet op in een stroom van elektronen.

Deze studie was ook de eerste die het effect van een magnetisch veld op een stroom van gaten langs een kwantumdraad karakteriseerde. De experimenten toonden aan dat als gaten langs een eendimensionaal pad reizen, hun spins roteren om uit te lijnen met een magnetisch veld dat in een bepaalde richting wordt aangelegd.

Deze reactie onderscheidt gaten van elektronen, die niet op dezelfde manier reageren op veranderingen – het maakt ze niet uit op welke manier het veld wordt toegepast.

Die unieke eigenschap van gaten geeft een opwindend potentieel voor hun gebruik in 'spintronic'-technologie. In spintronica, de magnetische spin van een deeltje wordt gebruikt om logische functies uit te voeren, in plaats van alleen de elektrische lading van het deeltje, zoals in traditionele elektronica.